PL228215B1 - Przyrzad i sposób pomiaru obciazen dynamicznych nozy skrawajacych organów roboczych zwłaszcza kombajnów górniczych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd i sposób pomiaru obciążeń dynamicznych noży skrawających organów roboczych zwłaszcza kombajnów górniczych.

Urabianie skał kombajnami górniczymi realizowane jest w przeważającej większości na zasadzie skrawania za pomocą noży. Noże te osadzone są w uchwytach nożowych przyspawanych do pobocznicy organu roboczego - głowicy urabiającej w przypadku kombajnów chodnikowych lub organów urabiających - w przypadku kombajnów ścianowych. Urabianie skał realizowane jest w trakcie ruchu noży wzdłuż trajektorii wynikającej z realizowanego przez organ roboczy ruchu. W trakcie urabiania noże podlegają działaniu obciążeń dynamicznych będących skutkiem oporu, jaki stawia narzędziu urabiania skała. Wielkość tych sił oraz ich zmienność zależy między innymi od własności mechanicznych urabianej skały i jest tym większa, im skała ta jest trudniej urabialna. Wypadkowe obciążenie działające na nóż, przyłożone w jego wierzchołku przyjmuje się przedstawiać w formie trzech wzajemnie prostopadłych składowych, to jest: siły skrawania, siły docisku oraz siły bocznej. Wartości tych składowych zależą od wielkości wypadkowego obciążenia noża oraz jego kierunku względem trajektorii ruchu ostrza noża.

Znajomość rzeczywistych wartości oraz przebiegu składowych obciążenia noży w trakcie realizacji przezeń procesu urabiania ma istotne znaczenie zarówno z punktu widzenia optymalizacji układu noży na organach roboczych maszyn urabiających na etapie ich projektowania dla określonych warunków eksploatacyjnych, predykcji stanu obciążenia dynamicznego napędów kombajnu oraz efektywności realizacji procesu urabiania. Bieżące informacje o stanie obciążenia dynamicznego noży stanowić mogą ponadto sygnał do układu automatycznego sterowania pracą kombajnu górniczego w warunkach eksploatacyjnych w aspekcie redukcji obciążeń dynamicznych, obniżenia energochłonności urabiania oraz wzrostu wydajności tego procesu. Stąd istnieje potrzeba pomiaru rzeczywistych obciążeń dynamicznych noży na organach roboczych kombajnów górniczych, który zrealizowany może być nie tylko w warunkach laboratoryjnych, lecz również w warunkach eksploatacyjnych.

Znane są rozwiązania układu do pomiaru składowych obciążenia noży na stanowiskach badawczych. Przykładem takiego rozwiązania jest układ pomiarowy stanowiący element przyrządu do skrawania skał pojedynczym nożem, będącego przedmiotem zgłoszenia patentowego P.398897. Przedmiotowy przyrząd wyposażony jest w obrotowe ramię, na którego końcu zamocowany jest uchwyt nożowy z naklejonymi tensometrami, w którym osadzony jest nóż skrawający. Niedogodnością rozwiązania jest możliwość pomiaru jedynie dwóch z trzech składowych obciążenia noża, co nie daje pełnego obrazu o stanie jego obciążenia. Ponadto przyrząd, pomimo że może być stosowany w warunkach wyrobisk górniczych, nie oddaje rzeczywistego charakteru pracy noży kombajnów górniczych. Maszyny te wyposażone są bowiem w organy robocze wielonarzędziowe. Urabianie realizowane jest grupą noży, a nie pojedynczym narzędziem, co ma istotny wpływ na przebieg tego procesu oraz ich obciążenie.

Znana jest z polskiego opisu patentowego PL173755 głowica tensometryczna do pomiaru sił w trzech kierunkach. Głowica wyposażona jest w ułożyskowany wzdłużnie wałek pomiarowy z naklejonymi tensometrami dla pomiaru sił w kierunku poprzecznym oraz trzpień pomiarowy zabudowany pod wałkiem dla pomiaru siły osiowej. Głowica cechuje się dużymi wymiarami wynikającymi ze sposobu osadzenia wałka w korpusie pełniącego rolę elementu pomiarowego. Powyższe rozwiązanie uniemożliwia zabudowę tego rodzaju głowicy pomiarowej na organie roboczym kombajnu górniczego, w szczególności w głowicach urabiających kombajnów chodnikowych cechujących się dużym zagęszczeniem uchwytów nożowych na ich pobocznicy. Niedogodnością rozwiązania jest zastosowanie łożyskowania tocznego podatnego na uszkodzenia w obecności dużej ilości pyłu generowanego w trakcie realizacji przez górnicze maszyny urabiające procesu urabiania. Zastosowane w obu przypadkach tensometryczne układy pomiarowe są podatne na uszkodzenia mechaniczne i nie nadają się do długotrwałej pracy w trudnych warunkach środowiskowych, w jakich realizowane jest urabianie skał w górnictwie.

Z kolei w opisie patentowym RO 123483 i DE 3413612 znane są rozwiązania czujników obciążenia noży urabiających, w których rolę taką pełnią odpowiednio przystosowane do tego celu noże. Nóż koparki kołowej wielonaczyniowej - w pierwszym przypadku oklejony jest tensometrami umożliwiającymi pomiar trzech składowych obciążenia, w drugim natomiast - w trzonku noża strugowego zabudowany jest również układ tensometryczny pozwalający na pomiar dwóch składowych obciążenia noża. Niedogodnością powyższych rozwiązań jest jednoczesne pełnienie przez noże pomiarowe roli elementu roboczego ulegającego zużyciu w trakcie urabiania. Noże jako wymienne elementy urabiające organów roboczych maszyn urabiających, pełniące rolę czujników pomiarowych są jednorazowego użytku i wymagają w tym celu specjalnego przygotowania.

PL 228 215 B1

Dodatkowo znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US 4181360 czujnik węgiel - skała, który umożliwia pomiar siły skrawania na nożu kombajnu górniczego i w ten sposób określa czy urabiany jest węgiel, czy skała płonna. Wadą tego rozwiązania jest możliwość pomiaru jedynie jednej z trzech składowych obciążenia noża promieniowego (w kierunku prostopadłym do jego trzonka). Ponadto zabudowa czujnika w gnieździe uchwytu nożowego oraz związanego z nim układu pomiarowego wymaga adaptacji trzonka noża polegającej na wykonaniu podcięcia dla zabudowy czujnika oraz kanałów dla przeprowadzenia przewodów, co uniemożliwia zastosowania typowego noża kombajnowego. Rozwiązanie to ma zastosowanie jedynie dla noży promieniowych, rzadko obecnie stosowanych w maszynach górniczych.

Ponadto znane jest na przykład z amerykańskiego opisu patentowego US 8690260 rozwiązanie uchwytu nożowego umożliwiającego pomiar obciążenia noża w celu identyfikacji rodzaju urabianej skały (węgiel - skała płonna) oraz optymalizacji procesu skrawania, w którym uchwyt nożowy wyposażony jest w kilka czujników tensometrycznych zabudowanych w gnieździe nożowym. Wadą tego rozwiązania jest to, że pomimo zastosowania czujników 3-osiowych mierzy się jedynie dwie z trzech składowych obciążenia noża, to jest siłę skrawania oraz siłę docisku (normalną), z pominięciem siły bocznej. Podobnie, jak w poprzednim rozwiązaniu nie daje to pełnego obrazu o stanie obciążenia noża skrawającego. Zastosowanie kilku czujników tensometrycznych w uchwycie nożowym sprawia, że rozwiązanie to jest skomplikowane technicznie i podatne na uszkodzenia, szczególnie w trudnych warunkach, w jakich pracują organy robocze górniczych maszyn urabiających.

Celem wynalazku jest opracowanie rozwiązania oraz sposobu pomiaru rzeczywistego obciążenia dynamicznego noży skrawających w trakcie realizacji procesu urabiania w warunkach eksploatacyjnych, zapewniającego możliwość zastosowania go na organach roboczych górniczych maszyn urabiających, takich jak kombajny chodnikowe oraz ścianowe, wyposażanych powszechnie w noże styczne stożkowe (obrotowe).

Cel ten osiągnięto poprzez skonstruowanie przyrządu do pomiaru obciążeń dynamicznych noży skrawających.

Przyrząd do pomiaru obciążeń dynamicznych noży skrawających według wynalazku charakteryzuje się tym, że zbudowany jest z podstawy uchwytu, na której osadzony jest korpus uchwytu z cylindrycznym gniazdem o osi pokrywającej się z osią podłużną noża osadzonego w tulei napinającej połączonej z korpusem uchwytu za pomocą złącza gwintowego, przy czym wewnątrz cylindrycznego gniazda osadzony jest czujnik siły zamocowany za pomocą tulei napinającej poprzez kołnierz dociskowy.

Korzystnie czujnik siły ma postać wydrążonego walca, przez otwór którego przełożona jest tuleja napinająca.

Ponadto czujnik siły korzystnie trójkierunkowy usytuowany jest tak, że kierunek pomiaru sił (oś Z) pokrywa się z osią podłużną noża, natomiast kierunki pomiaru sił (oś X i oś Y) pokrywają się z płaszczyzną równoległą do dna gniazda, korzystnie z płaszczyzną symetrii korpusu uchwytu oraz w kierunku do niego prostopadłego.

Sposób pomiaru obciążeń dynamicznych noży według wynalazku polega na tym, że mierzy się korzystnie trzy składowe obciążenia noża przy użyciu czujnika siły w układzie współrzędnych czujnika XYZ, po czym dokonuje się transformacji tych sił na siłę skrawania Ps, siłę docisku Pd i siłę boczną Pb w układzie współrzędnych XsYsZs związanym z trajektorią ostrza noża w trakcie urabiania skały organem roboczym maszyny urabiającej i zaczepionym w wierzchołku ostrza noża, w ten sposób że siła skrawania jest styczna do toru ruchu noża, siła docisku jest prostopadła do dna bruzdy, natomiast siła boczna jest prostopadła do siły skrawania i siły docisku.

Zasadniczą zaletą rozwiązania według wynalazku jest zwarta, kompaktowa budowa przyrządu, umożliwiająca jego zabudowę na głowicy urabiającej/organie urabiającym kombajnu górniczego, nawet o relatywnie małych wymiarach gabarytowych, w sposób wynikający z założonego (na etapie projektowania układu noży) ustawienia noża na jego pobocznicy. Wymiary gabarytowe przyrządu są zbliżone do wymiarów typowego uchwytu nożowego i limitowane są głównie wielkością czujnika siły wynikającą z wielkości przewidywanego obciążenia noża skrawającego, dla którego realizowany będzie pomiar. Ponadto, przyrząd pomiarowy wyposażony może być w jeden 3-kierunkowy czujnik sił o dowolnym sposobie realizacji pomiaru obciążenia. Pomiar sił w trzech kierunkach umożliwia przy tym wyznaczenie rzeczywistego obciążenia dynamicznego noża skrawającego. Organ roboczy maszyny urabiającej wyposażony może być w jeden, bądź kilka tego rodzaju przyrządów pomiarowych umożliwiających

PL 228 215 B1 pomiar obciążeń dynamicznych noży skrawających rozmieszczonych w różnym miejscu jego pobocznicy. Rozwiązanie według wynalazku zapewnia ponadto możliwość zastosowania w nim noża o geometrii części roboczej takiej samej, jak pozostałych noży organu roboczego maszyny urabiającej, dla którego dokonywany jest pomiar.

Wynalazek został bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przyrządu pomiarowego w płaszczyźnie jego symetrii, przechodzącej przez oś podłużną noża skrawającego i prostopadłej do płaszczyzny podstawy, natomiast fig. 2 przedstawia przykładowy sposób zabudowy dwóch przyrządów pomiarowych na głowicy urabiającej kombajnu chodnikowego.

Przyrząd do pomiaru obciążeń dynamicznych noży według wynalazku, zbudowany jest z podstawy uchwytu 7, przyspawanej do pobocznicy 8 organu roboczego kombajnu górniczego (Fig. 1). Do podstawy tej przymocowany jest korpus uchwytu 1 za pomocą czterech śrub 10 (Fig. 2) umożliwiających jego montaż na pobocznicy 8 organu roboczego oraz jego demontaż. W celu zapewnienia wymaganej wytrzymałości tego połączenia korpus uchwytu 1 połączony jest dodatkowo z podstawą uchwytu 7 nożowego za pomocą wpustu 11. Wewnątrz korpusu uchwytu 1 wykonane jest cylindryczne gniazdo 5, w którym osadzony jest czujnik siły 4. Oś tego gniazda pokrywa się przy tym z osią podłużną 12 noża skrawającego 9, dla którego dokonywany będzie pomiar obciążenia. Czujnik siły 4 zamocowany jest do korpusu uchwytu 1 wewnątrz gniazda 5 za pomocą tulei napinającej 3 za pośrednictwem kołnierza dociskowego 2. Połączenie tych elementów zrealizowane jest za pomocą złącza gwintowego 6 w ten sposób, że nagwintowany koniec tulei napinającej 3 wkręcony jest w nagwintowany otwór w korpusie uchwytu 1 wykonany w dnie cylindrycznego gniazda 5. Czujnik siły 4 ma korzystnie postać wydrążonego walca przez otwór, którego przełożona jest tuleja napinająca 3. Czujnik ten jest trójkierunkowy, a więc umożliwia pomiar trzech wzajemnie prostopadłych składowych obciążenia. Jest on przy tym tak usytuowany, że główny kierunek pomiaru sił (wzdłuż osi Z) pokrywa się z osią podłużną 12 noża 9. Kierunek pomiaru sił wzdłuż osi Y leży na przecięciu płaszczyzny symetrii korpusu uchwytu 1 z płaszczyzną równoległą do dna gniazda 5. Z kolei kierunek pomiaru sił wzdłuż osi X jest prostopadły do osi Y i Z. Korpus uchwytu 1 kształtem zbliżony jest do kształtu typowego uchwytu nożowego, jakie stosuje się na organach roboczych kombajnów górniczych. Jego wielkość wynika przy tym głównie z wielkości zastosowanego czujnika siły 4. Podstawa uchwytu 7 jest tak umieszczona na pobocznicy 8 organu roboczego kombajnu górniczego, aby wierzchołek ostrza noża skrawającego 9 (punkt S) oraz oś noża osadzonego w tulei napinającej 3 przyrządu pomiarowego odpowiadały rozmieszczeniu i ustawieniu przestrzennemu noża skrawającego 9 wynikającemu z układu noży na organie roboczym, na którym przyrząd pomiarowy jest zainstalowany (Fig. 2). Organ roboczy maszyny urabiającej wyposażony może być w jeden, bądź kilka takich przyrządów w zależności od potrzeb oraz dostępnego miejsca. Umożliwi to pomiar obciążeń dynamicznych noży skrawających rozmieszczonych w różnym miejscu pobocznicy organu roboczego maszyny urabiającej.

Sposób pomiaru obciążeń dynamicznych noży skrawających polega na pomiarze trzech składowych obciążenia noża 9 przy użyciu czujnika siły 4. Pomiar ten dokonywany jest w układzie współrzędnych czujnika XYZ, przy czym w kierunku osi Z mierzy się siłę działającą wzdłuż osi 12 noża 9, zaś wzdłuż osi X i Y - składowe obciążenia noża w płaszczyźnie prostopadłej do jego osi 12. Następnie dokonuje się transformacji tych trzech sił na składowe wynikające z kinematyki noża 9, to znaczy na siłę skrawania Ps, siłę docisku Pd i siłę boczną Pb. Siły te mierzone są w układzie współrzędnych XsYsZs związanym z trajektorią ostrza noża 9 w trakcie urabiania skały organem roboczym maszyny urabiającej i zaczepionym w wierzchołku ostrza tego noża (punkcie S), w ten sposób że siła skrawania jest styczna do toru ruchu noża 9, siła docisku jest prostopadła do dna bruzdy, natomiast siła boczna jest do nich prostopadła.

Claims (4)

1. Przyrząd do pomiaru obciążeń dynamicznych noży skrawających organów roboczych, zwłaszcza kombajnów górniczych, znamienny tym, że zbudowany jest z podstawy uchwytu (7), na której osadzony jest korpus uchwytu (1) z cylindrycznym gniazdem (5) o osi pokrywającej się z osią podłużną noża (9) osadzonego w tulei napinającej (3) połączonej z korpusem uchwytu (1) za pomocą złącza gwintowego (6), przy czym wewnątrz cylindrycznego gniazda (5) osadzony jest czujnik siły (4) zamocowany za pomocą tulei napinającej (3) poprzez kołnierz dociskowy (2).

PL 228 215 B1

2. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik siły (4) ma postać wydrążonego walca przez otwór, którego przełożona jest tuleja napinająca (3).

3. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik siły (4) korzystnie trójkierunkowy usytuowany jest tak, że kierunek pomiaru sił (oś Z) pokrywa się z osią podłużną noża (9), natomiast kierunki pomiaru sił (oś X i oś Y) leżą w płaszczyźnie równoległej do dna gniazda (5), korzystnie w płaszczyźnie symetrii korpusu uchwytu (1) oraz w kierunku do niej prostopadłym.

4. Sposób pomiaru obciążeń dynamicznych noży skrawających organów roboczych zwłaszcza kombajnów górniczych, znamienny tym, że mierzy się korzystnie trzy składowe obciążenia noża (9) przy użyciu czujnika siły (4) w układzie współrzędnych czujnika XYZ, po czym dokonuje się transformacji tych sił na siłę skrawania Ps, siłę docisku Pd i siłę boczną Pb w układzie współrzędnych XsYsZs związanym z trajektorią ostrza noża (9) w trakcie urabiania skały organem roboczym maszyny urabiającej i zaczepionym w wierzchołku ostrza noża (9), w ten sposób że siła skrawania jest styczna do toru ruchu noża (9), siła docisku jest prostopadła do dna bruzdy, natomiast siła boczna jest prostopadła do siły skrawania i siły docisku.